[论文解读] Superconducting properties of K$_{1-x}$Na$_x$Fe$_2$As$_2$ under pressure

Vadim Grinenko, W. Schottenhamel+19 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2014

Iron-based superconductors research被引用 3

一句话总结

本研究调查了K₁₋ₓNaₓFe₂As₂在静水压和Na掺杂下的超导态与正常态性质。结果表明，Na取代通过不同准粒子质量的多带效应诱导了非费米液体电阻率行为，而Tc的抑制主要由无序引起的配对破坏主导，而非晶格压缩。Tc的压强依赖性在约2 GPa处呈现浅最小值，这可通过xz+yz轨道衍生能带中非单调的态密度（无对称性变化）来解释。

ABSTRACT

The effect of hydrostatic pressure and partial Na substitution on the normal-state properties and the superconducting transition temperature ($T_c$) of K$_{1-x}$Na$_x$Fe$_2$As$_2$ single crystals were investigated. It was found that a partial Na substitution leads to a deviation from the standard $T^2$ Fermi-liquid behavior in the temperature dependence of the normal-state resistivity. It was demonstrated that non-Fermi liquid like behavior of the resistivity for K$_{1-x}$Na$_{x}$Fe$_2$As$_2$ and some KFe$_2$As$_2$ samples can be explained by disorder effect in the multiband system with rather different quasiparticle effective masses. Concerning the superconducting state our data support the presence of a shallow minimum around 2 GPa in the pressure dependence of $T_c$ for stoichiometric KFe$_2$As$_2$. The analysis of $T_c$ in the K$_{1-x}$Na$_{x}$Fe$_2$As$_2$ at pressures below 1.5 GPa showed, that the reduction of $T_c$ with Na substitution follows the Abrikosov-Gor'kov law with the critical temperature $T_{c0}$ of the clean system (without pair-breaking) which linearly depends on the pressure. Our observations, also, suggest that $T_c$ of K$_{1-x}$Na$_x$Fe$_2$As$_2$ is nearly independent of the lattice compression produced by the Na substitution. Further, we theoretically analyzed the behavior of the band structure under pressure within the generalized gradient approximation (GGA). A qualitative agreement between the calculated and the recently in de Haas-van Alphen experiments [T. Terashima et al., Phys.Rev.B89, 134520(2014)] measured pressure dependencies of the Fermi-surface cross-sections has been found. These calculations, also, indicate that the observed minimum around 2~GPa in the pressure dependence of $T_c$ may occur without a change of the pairing symmetry.

研究动机与目标

• 理解静水压和Na取代对K₁₋ₓNaₓFe₂As₂单晶中超导转变温度（Tc）和正常态电阻率的影响。
• 确定Na掺杂引起的晶格压缩是否显著改变Tc，或Tc的抑制是否主要由电子无序主导。
• 评估电子关联和费米面拓扑结构在观测到的非费米液体电阻率及压力下Tc非单调行为中的作用。
• 检验阿布里科索夫-戈尔科夫理论在描述化学掺杂与静水压共同作用下Tc抑制时的有效性。
• 将理论能带结构计算（GGA）与de Haas-van Alphen测量结果进行比较，以理解约2 GPa处Tc最小值的起源。

提出的方法

• 利用立方砧压机对K₁₋ₓNaₓFe₂As₂单晶施加高达3 GPa的静水压，进行高压电阻率和磁阻率测量。
• 分析正常态电阻率以提取输运系数，并识别与T²费米液体行为的偏离。
• 应用阿布里科索夫-戈尔科夫理论，通过压强依赖的Tc0(P)（清洁极限）对Tc抑制进行归一化处理。
• 采用基于广义梯度近似（GGA）的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，获得费米面截面和有效质量。
• 将理论dHvA频率和有效质量与Terashima等人（2014年）的实验数据进行比较，以验证能带结构预测。
• 评估总态密度（TDOS）及xz+yz轨道衍生能带的部分态密度随压强的变化，以评估其在Tc抑制中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 K₁₋ₓNaₓFe₂As₂中的Na取代是否诱导非费米液体电阻率行为？若是，其微观起源是什么？
• RQ2 Na掺杂下Tc的抑制是否主要由晶格压缩引起，还是由电子无序（配对破坏）主导？
• RQ3 在压力下Tc在约2 GPa处出现的最小值是否源于Lifshitz转变或配对对称性的变化？
• RQ4 通过GGA计算得到的费米面截面和有效质量与de Haas-van Alphen实验结果的符合程度如何？
• RQ5 Tc的压强与掺杂依赖性是否可由阿布里科索夫-戈尔科夫标度律统一描述，从而暗示这些体系具有相同的配对对称性？

主要发现

• Na取代导致T²电阻率行为出现偏离，这归因于具有显著不同准粒子有效质量的多带效应，而非本征的非费米液体物理行为。
• Tc随Na掺杂的抑制遵循阿布里科索夫-戈尔科夫定律，证实主要机制为无序引起的配对破坏，而非晶格压缩。
• 在约2 GPa处观测到的Tc最小值与配对对称性变化无关，GGA计算表明xz+yz轨道衍生能带的局部态密度呈非单调变化。
• GGA计算与de Haas-van Alphen实验在费米面截面方面表现出定性一致，但有效质量被系统低估，表明存在强电子关联效应。
• 费米能级处的总态密度在3 GPa以内变化小于15%，表明输运测量中难以探测到微小的DOS变化，与霍尔系数和残余电阻率近乎压强无关的实验结果一致。
• CsFe₂As₂的Tc压强依赖性可与K₁₋ₓNaₓFe₂As₂的Abrikosov-Gor’kov标度曲线完全重合，表明这些122-122体系具有共同的配对对称性。